工作井结构设计计算书

1.设计条件

工程概况

本计算书为中山市沙溪镇东南片区排水主干管工程顶管工作井、接收井结构设计，工作井、接收井施工方法采用逆作法，即先进行四周外侧及井底的水泥搅拌桩施工,桩身达到设计强度后,再开挖基坑施工护壁成井。基坑每开挖1m 深度土，现浇一节1m 圆形护壁。

本设计以最大深度工作井和最大深度接收井为控制设计。已知：设计地面标高：，井壁底标高：工作井为，接收井为。

拟定工作井尺寸：0.55t m =， 3.5R m =，8.1D m =， 5.39H m = 拟定接收井尺寸：0.35t m =， 2.0R m =， 4.7D m =， 5.99H m =

井身材料

—

混凝土：采用C30，214.3/c f N mm =，21.43/t f N mm =。

钢筋：钢筋直径d<10mm 时，采用R235钢筋，2270/y f N mm =；d ≥10mm

时，采用热轧钢筋HBR335，2300/y f N mm =。

地质资料

地质资料如下表1所示，地下水位高度为，即井外水位高度为，井底以下4米采用搅拌桩处理，则井底下地下水位高度为：工作井、接收井。表1 土的物理力学指标

、

图1-1 工作井、接收井示意图!

2.井壁水平框架的内力计算及结构配筋计算

将井壁简化成平面圆形闭合刚架计算，计算截面取井壁底部1米一段进行环向计算，不考虑四周搅拌桩支护的作用。

工作井井壁内力计算及配筋

2.1.1按承载能力极限状态进行计算 2.1.1.1外力计算

（1）水土压力计算（考虑地下水作用） ,

井外侧地面堆载按215/d q KN m =考虑。

根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》CECS137-2002第6.2.3条，并假设同一标高的水平截条上沿井壁互成90°的两点土的内摩擦角相差±5°，计算区域井壁A 、B 点外侧水平向水土压力：

图2-1 土压力分布示意图

井壁外侧水平向土压力采用郎金主动土压力计算值，地下水位以下土采用浮容重。计算公式如下：

5()(45)2(45)2

A d E q z tg ctg ??γ-

++=+-

5()(45)2(45)2

B d E q z tg ctg ??γ-

--=+-

式中：d q —地面上堆载，取215/d q KN m =。

γ-

—土的容重加权平均值，地下水位以下土采用浮容重，那么有 ()()()

2.618.5 1.518.510 2.2418.3100.6616.7104.1 2.240.66

γ-

?+?-+?-+?-=

311.98/KN mm =

—土内摩擦角加权平均值， 4.115 2.2411.360.6620.844.1 2.240.66

o o o

?+?+?=++

14.39o =

c -—土的粘聚力加权平均值， 4.15 2.2419.310.6615.13

4.1 2.240.66

c -

?+?+?=

10.53kPa =

z —所计算点离填土面的深度（m ）。 }

14.39514.395(1511.987)(45)210.53(45)34.6722A E tg tg kPa

?????

++=+?--??-=214.39514.395(1511.987)(45)210.53(45)53.2722

B E tg tg kPa

??????

--=+?--??-= 井壁侧向水压力采用全部静水压力，即w w P z γ=，w γ为水的容重，取

103/KN mm 。则10(7 2.6)44w P kPa =?-=

则工作井井壁外侧水平向的水土压力为：

1.27() 1.27(34.6744)99.91A A w P E P kPa =?+=?+=

1.27() 1.27(53.2744)123.53B B w P E P kPa =?+=?+=

计算系数为：123.53110.236499.91

B A P P ω'=

-=-= 2.1.1.2井壁环向截面内力计算

截面上弯矩（井壁外侧受拉为正）：

}

220.14880.148899.91 3.7750.236450.08A A c M P r KN m ω'==-???=-? 220.13660.1366123.53 3.7750.236456.85B B c M P r KN m ω'==???=? 截面上压力：

(10.7854)99.91 3.775(10.78540.2364)447.19

A A c

N P r KN

ω'

=+=??+?=

(10.5)123.53 3.775(10.50.2364)521.45

B B c

N P r KN

ω'

=+=??+?=

图2-2 截面弯矩分布图

2.1.1.3结构配筋计算

按压弯构件进行强度配筋计算：

①保护层厚度为40mm，设50

a mm

=，

55050500

h t a mm mm

=-=-=

②C30混凝土，HRB335钢筋，查表得0.56

ξ=

③初始偏心距

50.08

0.112112

447.19

e m mm

====

附加偏心距max(,20)20

e mm

11220132

i f

e e e mm

=+=+=

④偏心距增大系数

0.50.514.31000550

447.1910

f A

???

==>

，取

{

1.150.01

ξ=-?，0

7000

12.7315

550

==<，取

故0

1 1.53

1400/

e h h

ηξξ

=+=

1.53132201.96

e mm

η=?=

⑤确定混凝土受压区高度x 先按大偏心受压求：

01447190

31.30.56500280114.31000

b c N x mm h mm f b ξα=

==<=?=??，且2100s a mm <= 属于大偏心受压构件。

550201.9650427.022

s i s h e e a mm η=+

-=+-=3

20 1.0447.19104271414.45()300(50050)

s s sd s Ne A A mm f h a γ???'====-?-

20.2%10008001600mm

按构造钢筋配置，内外钢筋选用20@200，实际配筋面积为

21885s A mm =;纵向按构造钢筋配置，选用

16@200。

2.1.2按正常使用极限状态进行计算 2.1.2.1内力计算

99.91

78.671.27

A P kPa == 123.53

97.271.27

B P kPa =

= 97.27110.236478.67

B A P P ω'=

-=-= 截面上弯矩（井壁外侧受拉为正）：

220.14880.148878.67 3.7750.236439.44A A c M P r KN m ω'==-???=-? #

220.13660.136697.27 3.7750.236444.76B B c M P r KN m ω'==???=?

截面上压力：

(10.7854)78.67 3.775(10.78540.2364)352.12A A c N P r KN ω'=+=??+?=

(10.5)97.27 3.775(10.50.2364)410.59B B c N P r KN ω'=+=??+?=

2.1.2.2结构配筋计算

按压弯构件进行强度配筋计算，控制裂缝宽度。由《混凝土结构设计规范》第8.1.2条：

max

1.90.08eq sk cr s te d a c E σωψρ?

=+ ???

2.1cr a =

①混凝土采用C30，20.1ck f =， 2.01tk f =

钢筋采用HRB335，522.010/s E N mm =?

②2

0.51000550275000te A mm =??=

18850.006850.01275000

s te te A A ρ=

==<，取 ③偏心受压构件，求sk σ 039.44112352.12

M e mm N =

== 0011 1.53141400/s i l e h h η??

=< ???

，取 01112(27550)337s s e e y mm η=+=?+-=

005000.870.120.870.12500302.92337h z h mm e ????????=-?=-??=???? ? ????????????

偏心受压构件 ()2352120(337302.92)

21.02/1885302.92

sk s N e z N mm A z σ-?-=

==? ④ 2.01

1.10.65

1.10.650.470.20.0068530

2.92

te sk

f ψρσ=-=-?

=>?

⑤max 0.0250.3mm mm ω=< 故内外钢筋选用

20@200。工作井井壁配筋图见2-2所示。

接收井井壁内力计算及配筋

同上“工作井井壁内力计算及配筋”计算方法相同，内力及配筋结构如下表2所示,井壁配筋图见2-3所示。纵向按构造钢筋配置，选用

12@200。

极限状态

设计控制弯矩

()M KN m ?

设计控制压力

()N KN

钢筋选用承载能力极限状态

【

16@200

正常使用极限状态 16@200

；

图2-2 工作井井壁配筋示意图图2-3 接收井井壁配筋示意图

3.封底混凝土混凝土计算

工作井封底 3.1.1荷载计算

封底混凝土容重取2

24/KN mm γ=,厚4m,按不排水情况计算。

标准值：()2

10 4.4442412.00/k q KN m =?+-?=-

设计值：2

1.27(1

2.0)15.24/s q KN m =?-=-

3.1.2封底厚度计算 |

计算半径：(8.12 1.05)/2 5.1r m =+?=

板中弯矩：2

0.1980.19815.24 5.178.50s M q r KN m ==??=?

故厚度取6

5.72 5.7278.501030010951000 1.27

t t M h t mm bf ??=

==? 本设计中封底采用水泥土搅拌桩，封底厚度为400cm ，故满足要求。接收井封底

封底混凝土容重取2

24/KN mm γ=,厚4m,按不排水情况计算。

标准值：()2

1054424 6.0/k q KN m =?+-?=-

设计值：2

1.27( 6.0)7.62/s q KN m =?-=- ）

3.1.2封底厚度计算

计算半径：(4.72 1.05)/2 3.4r m =+?=

板中弯矩：22

0.1980.1987.62 3.417.44s M q r KN m ==??=?

故厚度取6

5.72 5.7217.44103007801000 1.27

t t M h t mm bf ??=

+=+=? 本设计中封底采用水泥土搅拌桩，封底厚度为400cm ，故满足要求。

4.钢筋混凝土底板计算

工作井底板计算

4.1.1荷载计算

底板厚度采用600mm 。

水托浮力产生的底板反力（标准值）2

108.40.62569.0/k q KN m =?-?=

设计值：2

1.2769.087.63/s q KN m =?=

设计值产生的板中弯矩：

220.1980.19887.63 3.775247.26s c M q r KN m ==??=?

标准值产生的板中弯矩：

220.1980.19869.0 3.775194.69s c M q r KN m ==??=?

4.1.2配筋计算

（1）上层钢筋

按纯弯计算，按承载能力极限状态进行配筋。

10247.26100.0561.014.31000555

s c M a f bh α?===??? 查表得0.0442ξ=，取 1.0s a =

1.014.3

0.044210005551169.31300

s c s sd a f A bh mm f ξ?==??= 2

0.2%10006001200mm

（1）下层钢筋

因简支板支座弯矩为0，故按构造钢筋配置，选用20@200。

4.1.3裂缝宽度计算

按纯弯计算，裂缝宽度控制在。由《混凝土结构设计规范》第8.1.2条： max

1.90.08eq sk cr s te d a c E σωψρ?

=+ ???

2.1cr a =

①混凝土采用C30，20.1ck f =， 2.01tk f = 钢筋采用HRB335，522.010/s E N mm =?

②2

0.51000600300000te A mm =??=

1206.60.0040220.01300000

s te te A A ρ=

==<，取

③ 受压构件

20247.2610424.40/0.870.875551206.6

sk s M N mm h A σ?===??

④ 2.01

1.10.65

1.10.650.3350.20.004022424.40

te sk

f ψρσ=-=-?

=>?

⑤max 0.310.25mm mm ω=> 故上层钢筋选用

25@150，裂缝宽度max 0.2250.25mm mm ω=<。

⑥下层钢筋按构造钢筋配置，钢筋选用20@200。

工作井钢筋混凝土底板配筋见图4-1所示。

】

接收井底板计算

同“工作井底板计算”方法，计算结果如下：

（1）上层配筋： ①按承载能力极限状态计算得到的结果：

20@200； ②按正常使用极限状态计算得到的结果：

20@200。

（2）下层配筋：按构造钢筋配置，选用

18@200。

接收井钢筋混凝土底板配筋见图4-2所示。

图工作井底板配筋图图接收井底板配筋图

5.抗浮验算

工作井抗浮验算 5.1.1工作井自重

封底后，工作井抗浮验算时，工作井重除井壁重量外，尚应包括井壁顶砌砖重、井底水泥土搅拌桩重和底板重。水泥搅拌桩容重按3

22/KN mm 计,钢筋混凝土底板容重按326/KN mm 计，砌砖容重按3

22/KN mm 。

井壁重：(

)

1 3.14 4.05 3.52662034.06G KN =?-??= 砌砖重：(

)

2 3.14 4.05 3.81221130.31G KN =?-??= 底板重：2

3 3.1

4 3.50.626600.05G KN =???=

水泥土搅拌桩重：2

4 3.14 4.052244532.34G KN =???= 总重：12347297.21G G G G G KN =+++= 5.1.2浮力

浮力为：2

, 3.14 4.05108.44326.33b

fw k F KN =???= 5.1.3抗浮安全系数（不考虑井壁反摩阻力）

,7297.21

1.68 1.04326.33

fw b

fw k G k F =

==>，抗浮能力满足要求。接收井抗浮验算

同上“工作井抗浮验算”计算方法，抗浮安全系数 1.65 1.0fw k =>。抗浮能力满足要求。

6.地基承载力验算

工作井地基承载力验算

工作井搅拌桩封底底面处砂质黏性土的地基承载力特征值为180kPa ，考虑地面和井底堆载作用，按215/d q KN m =计。则有：

7297.2115166.681803.14 4.05

q kPa kPa =+=

接收井搅拌桩封底底面处砂质黏性土的地基承载力特征值为180kPa ，考虑地面和井底堆载作用，按215/d q KN m =计。则有：

2569.9015163.201803.14 2.35

q kPa kPa =+=